一种超高分子量聚乙烯复合材料及其制备方法与流程

一种超高分子量聚乙烯复合材料及其制备方法【技术领域】本发明涉及高分子材料领域，特别是涉及一种超高分子量聚乙烯复合材料及其制备方法。

背景技术：
超高分子量聚乙烯(Ultra-highmolecularweightpolyethylene，简称UHMWPE)是一种线型的高分子聚合物，是分子量通常在1×106g/mol以上的聚乙烯。极大的分子量导致分子间强烈的互相缠绕，带来了优良的力学性能，使得其具备良好的润滑性能、耐磨损性能。现有的以UHMWPE为基体制备耐磨用的复合材料时，一般是通过将UHMWPE、耐磨剂和加工助剂混合，经过热压成型形成复合材料。该制备过程中涉及添加较多的原材料作为耐磨剂和加工助剂，有些方案中还涉及添加催化剂等，生产加工成本较高，制备过程复杂。且制得的复合材料的耐磨性能较差。

技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是：弥补上述现有技术的不足，提出一种超高分子量聚乙烯复合材料及其制备方法，制备过程工艺简单，较环保，且制得的复合材料的耐磨性能较好。本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：一种超高分子量聚乙烯复合材料的制备方法，包括以下步骤，(1)将碳纳米管分散到水中，得到碳纳米管分散液；(2)将超高分子量聚乙烯粉末与步骤(1)中得到的碳纳米管分散液混合；(3)将步骤(2)制备的超高分子量聚乙烯粉末和碳纳米管水溶液混合物在0℃以下冷冻成固体状态，然后进行冷冻干燥，得到超高分子量聚乙烯/碳纳米管混合粉末；(4)将步骤(3)制备的超高分子量聚乙烯/碳纳米管混合粉末在175～185℃、10～20MPa下热压10～30min，热压后降温得到超高分子量聚乙烯复合材料。一种根据如上所述的制备方法制得的超高分子量聚乙烯复合材料。本发明与现有技术对比的有益效果是：本发明的超高分子量聚乙烯复合材料的制备方法，采用在超高分子量聚乙烯中填充碳纳米管的方法制备复合材料，且制备时通过冷冻干燥的方法使碳纳米管均匀分散在超高分子量聚乙烯表面，从而使填充碳纳米管可以显著提高复合材料的耐磨性能。本发明在制备超高分子量聚乙烯复合材料的过程中，无需采用有机溶剂，不会对环境造成危害，是一种非常环保的方法。本发明制备的超高分子量聚乙烯复合材料，碳纳米管分散优良，复合材料具有优异的耐磨性能，相对于现有的超高分子量聚乙烯为基体的耐磨材料，耐磨性能提升达到27.6％。【附图说明】图1是本发明具体实施方式一制备过程中得到的超高分子量聚乙烯混合粉末的扫描图片的流程图；图2是本发明具体实施方式二制备过程中得到的超高分子量聚乙烯混合粉末的扫描图片的流程图；图3是本发明具体实施方式三制备过程中得到的超高分子量聚乙烯混合粉末的扫描图片的流程图。【具体实施方式】下面结合具体实施方式并对照附图对本发明做进一步详细说明。本发明的构思是：超高分子量聚乙烯是指分子量超过100万或者150万的聚乙烯。超高分子量聚乙烯是一种非常优秀的耐磨材料，其耐磨性在所有工程塑料中是最好的，甚至优于许多金属材料。然而，超高分子量聚乙烯表面硬度低，易发生疲劳磨损和磨粒磨损，这也大大限制了超高分子量在耐磨方面的应用。为了提高超高分子量聚乙烯的耐磨性能，可以采取填充一些材料的方法。考虑到碳纳米管作为一维纳米材料，具有许多异常的力学、电学和化学性能，如抗拉强度达到50～200GPa，是钢的100倍；硬度与金刚石相当等。因此考虑在超高分子量聚乙烯中填充碳纳米管以提升耐磨性能。然而，经研究发现，碳纳米管的分散状态对填充后得到的复合材料的性能有着非常大的影响。当碳纳米管均匀分散时，填充碳纳米管可以显著提高复合材料的耐磨性能；而当碳纳米管严重团聚时，填充碳纳米管可能会导致复合材料的性能急剧下降。基于上述考虑，本发明人对碳纳米管的分散进行研究。对于碳纳米管在溶剂中进行分散来说，超声加搅拌的方法是有效的方法，被广泛采用。然而在分散后的去除溶剂过程中，如果采用常见的烘干方法，随着溶剂的逐渐气化，碳材料会逐渐增加浓度，并互相团聚，而造成前期分散的效果无法体现出来。发明人对此进行了大量研究工作，使用电子显微镜研究分散效果，使用摩擦磨损测量仪分析材料性能。终于发现，如果在干燥过程中采用冷冻干燥的方法，干燥后的复合粉体中碳纳米管分散均匀，得到的摩擦材料性能较优良。冷冻干燥作为一种处理手段，对于液相表面张力大的液体分散体系有很好的干燥效果，在气凝胶，石墨烯的研究中经常用到。本发明人发现该处理手段对碳纳米管和超高分子量聚乙烯粉末的分散体系也有较好地作用，进而可解决耐磨性能方面的问题。具体实施方式一(1)称量0.2g碳纳米管水系悬浮液，并向其中加入9.8g去离子水，搅拌均匀，得到碳纳米管水溶液。其中，所使用的碳纳米管水系悬浮液为深圳市纳米港有限公司生产的碳纳米管水系浆料(碳纳米管的质量分数为5％，使用的分散剂为PVP)。(2)取20g超高分子量聚乙烯粉末加入到上述碳纳米管水溶液，混合均匀。(3)将步骤(2)制备的混合物料用液氮快速冷却，然后在冷冻干燥器上冷冻12h，得到超高分子量聚乙烯/碳纳米管混合粉末。(4)将超高分子量聚乙烯/碳纳米管混合粉末在180℃、15MPa下，热压15min，得到超高分子量聚乙烯复合材料。具体实施方式二本具体实施方式与实施方式一的不同之处仅在于：步骤1)中，使用的碳纳米管水系悬浮液为2g，所加入的去离子水为8g。具体实施方式三本具体实施方式与实施方式一的不同之处仅在于：步骤1)中，使用的碳纳米管水系悬浮液为4g，所加入的去离子水为6g。为了评估冷冻干燥后，碳纳米管在超高分子量聚乙烯粉末表面的分散状态，本发明利用扫描显微镜对超高分子量聚乙烯/碳纳米管混合粉末进行表征。图1为具体实施方式一制得的碳纳米管的质量分数约为0.05wt％时，超高分子量聚乙烯/碳纳米管混合粉末的扫描图片。图1中显示超高分子量聚乙烯粉末是由许多较小的颗粒和拉直的纤维组成，而弯弯曲曲的碳纳米管比较均匀的分散在超高分子量聚乙烯粉末表面。图2为具体实施方式二制得的碳纳米管的质量分数约为0.5wt％时，超高分子量聚乙烯/碳纳米管混合粉末的扫描图片。图2显示当碳纳米管的填充量约为0.5wt％时，覆盖在超高分子量聚乙烯表面的碳纳米管量明显的增多。图3为具体实施方式三制得的碳纳米管的质量分数约为1wt％时，超高分子量聚乙烯/碳纳米管混合粉末的扫描图片。图3显示当碳纳米管的填充量约为1wt％时，超高分子量聚乙烯的表面基本已被碳纳米管完全覆盖，并且碳纳米管分散的依然比较均匀。测试超高分子量聚乙烯复合材料的耐磨性能，采用往复摩擦测试仪(HSR-2M，兰州中科凯华科技开发有限公司)对复合材料的摩擦学性能进行测试。实验条件为采用直径为6.35mm、表面粗糙度小于0.02μm、材质为GCr15的钢球为对磨材料，球盘式高速往复摩擦，速度为0.2m/s，加载载荷20N，测试时间7200s。采用摩擦测试仪携带的附件测试磨损的体积，测试结果如下：当碳纳米管在复合材料中分散良好时，结合上表可知，加入适量的碳纳米管可以有效的改善超高分子量聚乙烯的耐磨性能。当碳纳米管的添加量为1wt％时，超高分子量聚乙烯/碳纳米管复合材料的耐磨性能相对于不添加碳纳米管的原始试验的耐磨性提高了27.6％。以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。